蓝牙的发展：无线系统设计的挑战

蓝牙技术自二十世纪九十年代末期面世以来，就开始面对众多的技术挑战，包括兼容性、功耗和信号干扰等方面的挑战。本文全面概述了蓝牙技术，以及如何利用BlueCore来应对功耗和信号干扰方面的挑战。

蓝牙是一种短程无线链路技术。作为一种缆线替代技术，蓝牙在消费电子设备之间传输语音和数据，如移动电话、PC和PDA设备等。由于蓝牙应用于电池驱动的小型设备，并且具有短程无线链路的特点，因此功耗一直是该技术关注的问题。

蓝牙技术

蓝牙运行的工业、科学和医学(ISM)频带范围为2.4~2.4835GHz。由于这个频带是开放的，因此有许多其它的无线链路标准也使用这个频带，如802.11 Wi-Fi和DECT无绳电话。因为非常类似，这些设备之间可能造成相互的干扰，从而影响蓝牙链路的质量。

蓝牙链路的范围取决于无线设备的功率。一级设备的连接范围是100米，二级设备为10米，三级设备为1米以内。

蓝牙技术的标准数据传输速率高达每秒1Mbit/s，真正吞吐量为每秒723千比特。数据被蓝牙堆栈划分为数据包，并通过两个链路中的其中一个进行发送。此链路是通过SCO(Synchronous Connection Oriented Channels)利用预留带宽进行实时传输(包括语音包)的；或通过ACL(Asynchronous Connectionless Channels)进行数据传输和再传输。一个蓝牙设备由硬件、固件和软件三部分组成。

图1显示的是一个典型的分层蓝牙规格协议栈。除了主机控制接口(HCI)、逻辑链路控制及适配协议(L2CAP)、RFCOMM和服务发现协议(SDP)之外，该蓝牙规格协议栈还具有无线电、基带和链路管理协议。

干扰：挑战设计

由于蓝牙使用的ISM射频是开放的，因此许多其它的无线标准也利用ISM频带，其中比较有影响力的标准包括802.11b/g Wi-Fi。除了因为与其它无线标准共存而产生的挑战之外，蓝牙通讯链路还可能受到其它家用设备的影响，如微波炉。这些家用设备在运行的同时辐射出射频能量，由于成本和技术上的限制，不可避免地这些设备会散发出相当程度的幅射。

尽管受到环境射频的干扰，蓝牙在频率冲突方面的主要挑战还是来自于802.11b/g Wi-Fi。这两种技术都在ISM频带范围内运行，以数据包的形式发送数据。在过去五年中，WiFi和蓝牙都广泛受到消费者的欢迎，越来越多的家庭开始使用蓝牙产品和无线LAN网络。因为这两种技术非常类似，所以共存是一个首先需要考虑的问题。实际上，许多机制已经被采用，以便解决相互间的干扰问题。

为了降低某个ISM频带区域内传输的功率总量，蓝牙和Wi-Fi不得不采用各种数据传输扩频技术。蓝牙采用跳频技术(FHSS)，在相对较窄的1MHz带宽范围内传输数据包。这样，在该带宽提供的79个信道范围内，窄带信号的频率变为每秒1,600跳 。通过围绕频谱频繁跳动，使信号功率充满了整个频带。

当发生一般性干扰时，数据包的接收可能被中断，因为蓝牙和802.11 b/g信号发生叠加，造成记录错误。附近的天线可能对第二个系统的运行造成前端过荷干扰。但是，这种干扰要求具备较强的干扰信号，所以较一般性干扰来说是一种不常见的干扰。

自适应跳频技术(AFH)

自适应跳频技术(AFH)是解决一般性干扰的有效途径。AFH可以识别“坏”信道。在这些信道上，要么有其它无线设备干扰蓝牙信号，要么蓝牙信号干扰了其它的设备。具备AFH技术的蓝牙设备与蓝牙微网(Piconet)内的其它设备进行通讯，分享有关坏信道的详细信息。这样，这些设备就可以转换到可用的“好”信道，远离干扰区，不影响带宽的使用。使用AFH技术时，坏信道的分类必须准确，并且“一般性”干扰应是唯一的干扰形式。图2展示了有效使用AFH技术的情形。

BlueCore的默认设置通常能在大约四秒钟的时间内适应新的来源方面的干扰。

信道跳转使v1.1设备获得了AFH技术的优点，但不得不牺牲蓝牙带宽以尽量减少对Wi-Fi信号的影响。即使802.11b/g此时闲置，也有高达50%的非优先蓝牙通讯被终止。然而，尽管这个数字看起来很大，用户却常常觉察不到带宽的变化，除非他们试图实施某些对时间敏感的应用，如立体音频随选随播。

时分多路复用(TDM)

时分多路复用(TDM)是一种应对前端过荷型干扰的手段，AFH技术无法应对这种干扰。TDM最初用于保护802.11b/g传输不受蓝牙干扰，而不是相反的情形。其工作原理是：当ISM频带内运行802.11b/g时，所有蓝牙传输都要关闭，但那些高优先级的蓝牙传输除外。与信道跳转一样，这种方法牺牲了部分蓝牙带宽，这部分牺牲的带宽与802.11b/g工作周期成比例。因此，如果802.11b/g闲置，则链路维护通讯可能造成带宽下降2-3%，用户不可能察觉到这个细微的变化。

要增强TDM的效果，就需要具备有关802.11b/g无线设备活动的准确信息。为此，CSR公司定义了WLAN_Active硬件信号，以保证当无线设备运行时，b/g信号得到保护。当需要保护蓝牙信号不因802.11b/g干扰而衰退时，CSR公司开发出了BT_Priority，这是一种可选的信号，它可以指出何时正在发送或接收重要的蓝牙数据包。这种信号可用于保护采用HV3数据包的SCO音频，这种格式在单声道耳机随选随播音频数据时最为常见。Wi-Fi干扰可能阻止耳机与电话连接，还可能造成音频质量下降，因为部分SCO数据包的传输被终止，并且不重新传输。

根据信道质量确定数据速率(CQDDR)

这个方案针对的是极端的范围和干扰问题，其建立的基础包括跳频、数据包标题和有效载荷的检错码、以及数据包确认收悉或再传输。有两种格式的数据包，即DH和DM，分别利用高带宽和中带宽。DH数据包可以传输更多的数据，但是如果部分数据包遭到破坏，整个数据包必须重新传输以恢复数据。DM数据包包含前向纠错(FER)码，占有效载荷的三分之一：每10比特的数据就增加5比特的前向纠错码，每15比特的数据/FEC数据块中可以纠正2比特的错误。这种数据包格式可能降低最大的数据速率，但比不包含纠错功能的DH数据包更强大。它允许接收设备与传输设备进行协调，按照环境干扰情况来确定采用何种数据包格式。例如，如果某个设备确定正在接收的数据存在诸多错误，它就会通知传输设备以DM数据包的方式传输数据。如果链路恢复畅通了，它就会允许传输设备回转到DH数据包。见图4。

CQDDR只是蓝牙链路的一个可选项，并不包括在蓝牙技术规范内。因此，对于配置BlueCore的设备发送数据给没有配置CQDDR的设备的情况，CSR公司发明出了一种算法来评估链路的表现，并且按照确认收悉的数据包(ACKs)和没有确认收悉的数据包(NACKs)之间的比率来修改数据包的类型。但是，对于从一个没有配置CQDDR的设备接受信息的情况，如果数据包受损，则BlueCore无法提供应对措施。

扩展型同步定向连接信道(eSCO)

eSCO是允许受损语音数据进行再传输的检错语音信道。每一个数据包都有一个CRC(循环冗余校验)，这样接收设备就可以检查数据包是否正确接收。在接收过程中存在错误和丢失的数据包将得到否认。再传输窗口允许未经确认的数据包进行再传输。

1.1版SCO只能使用单槽数据包。扩展型SCO允许对同步语音或数据使用三槽数据包。这意味着扩展型SCO可以达到100kbps以上的连接速度，而1.1版的连接速度为固定的64kbps。这是因为在使用单槽数据包时链路容量丢失，而当无线设备改变频率时数据包之间产生间隙。

在每个eSCO传输过程中，主设备传输一个eSCO数据包，从设备会按照SCO常规进行响应(即使没有接收到主设备的数据包，从设备也可以进行响应)。eSCO与SCO的不同之处在于SCO存在一个再传输窗口。在这个窗口中，可以对未经确认的数据包进行再传输，直至确认收悉。eSCO传输的间隔是可以调整的。1.1版SCO有三种数据包间隔可供选择，传输速度都是64kb/s。扩展型SCO的数据包长度和间隔在链路的两个方向都是可以调整的，因此可以实现不对称传输。

尽管eSCO信道不主动处理或避免干扰，受损数据包的再传输仍保证了其音频质量受到其它无线设备的影响相对较小。

功耗对于蓝牙技术的重要性

功耗是一个关键性的问题，在无线开发的竞争方面有着特别重要的作用。作为一种短程无线功耗是一个关键性的问题，在无线开发的竞争方面有着特别重要的作用。作为一种短程无线链路技术，蓝牙的功耗可以降到最低水平，特别是在电脑外围设备这样的应用中，蓝牙设备的范围实际上不足50cm。

蓝牙较低的功耗水平使其成为移动电话和PDA这样的小型手持设备首选的无线连接技术， 这些设备依赖于电池电量，消费者也看重其电池寿命。

低功耗模式与内部时钟

在蓝牙堆栈的范围内，最大的功耗水平源自于无线单元的活动，在仅以蓝牙堆栈数字单元要求的10mA电流水平传输和接收数据时，无线单元的活动却需要50mA的电流。因此，减少蓝牙无线单元的活动对于降低整体的功耗水平最为有效。此外，灵活使用低功耗模式也可以进一步降低蓝牙设备的功耗水平。

BlueCore芯片内的硬件时钟可以将数字单元与无线单元隔离，这样可以关闭无线单元，从而将芯片送入浅度或深度睡眠模式。

在浅度睡眠模式下，时钟频率从16MHz、10mA降低到0.125MHz、2mA(图6)。

在深度睡眠模式下，除了1kHz自激弛张振荡器之外，时钟的主晶体和所有其它部分都停止工作(图7)。

要进入深度睡眠模式，BlueCore需要有20ms时间的静止状态。要从深度睡眠模式下苏醒过来，时钟晶体需要5ms时间转动起来，而设备需要大约20ms时间的无活动状态。BlueCore可以通过两种方式退出深度睡眠模式，一是通过定时闹钟，在下一次定时活动之前叫醒设备；二是通过PIO、UART或USB串口传输设备来中断深度睡眠模式。

功耗控制方法对于降低干扰和电源耗竭的风险也很重要。如果一个蓝牙设备需要与几厘米之外的另外一个设备进行通讯，这个设备就不需要消耗与100m之外的一个设备链接所需要的那么多功率。BlueCore具备了这方面智能，因此，通过利用最少的电流来建立和维持无线链接，BlueCore可以减少功率损耗。

芯片结构

BlueCore芯片结构在保证功耗效率和低功耗方面起着关键作用。图8显示的是BlueCore3-ROM CSP芯片封装设计的一个例子，展示了BlueCore芯片的典型设计。自最初就设计成一个单芯片产品的BlueCore，其芯片组件特别少，减少了功率消耗，更为重要的是，BlueCore包含一个数字信号处理器基带去取代常规的 ARM处理器。蓝牙的短程连接和协议堆栈意味着这个复杂而消耗功率的处理器无法执行日常的蓝牙任务。此外，协议堆栈的结构使所有数据不用通过微处理器。芯片内存集线器存储包括信息包在内的数据，而微处理器确定数据包的类型和结构。数据包通过DSP传输。这种方法限制了单个组件的参与，因此降低了数据传输和处理过程的功率耗损量。

效率和低功耗方面起着关键作用。图8显示的是BlueCore3-ROM CSP芯片封装设计的一个例子，展示了BlueCore芯片的典型设计。自最初就设计成一个单芯片产品的BlueCore，其芯片组件特别少，减少了功率消耗，更为重要的是，BlueCore包含一个数字信号处理器基带去取代常规的 ARM处理器。蓝牙的短程连接和协议堆栈意味着这个复杂而消耗功率的处理器无法执行日常的蓝牙任务。此外，协议堆栈的结构使所有数据不用通过微处理器。芯片内存集线器存储包括信息包在内的数据，而微处理器确定数据包的类型和结构。数据包通过DSP传输。这种方法限制了单个组件的参与，因此降低了数据传输和处理过程的功率耗损量。

EDR蓝牙

EDR蓝牙的增强型数据传输速率也有助于降低蓝牙功耗，EDR芯片被越来越多的消费产品所采用。数据传输速率最大增加三倍，这意味着数据包的传输速度快三倍，而无线单元最多在三分之一的时间内是激活的，另外设备可以利用数据包之间增加的空间进入低功耗模式，如浅度睡眠或深度睡眠。EDR蓝牙的效果目前还是有限的，因为EDR产品必须采用标准数据传输速率与不具备EDR的v1.1或v1.2设备进行通讯。

目前所有干扰和功耗问题都已克服了吗？

蓝牙技术自推出以来，在干扰和功耗方面取得了令人难以置信的进展。我们的设计工程师们努力将BlueCore打造成最强大的、功率最高的蓝牙技术产品，并不断研发芯片结构、低功耗模式和软件应用的新方法，以提供最好的干扰和功耗解决方案。包括自适应跳频(AFH)、分时多路复用(TDM)、电源控制以及信道质量确定数据速率(CQDDR)在内的共存系统，使蓝牙链路更为强大，并作为其它流行标准(如802.11b/g Wi-Fi)的补充技术，改善了蓝牙用户的体验。

效率和低功耗方面起着关键作用。图8显示的是BlueCore3-ROM CSP芯片封装设计的一个例子，展示了BlueCore芯片的典型设计。自最初就设计成一个单芯片产品的BlueCore，其芯片组件特别少，减少了功率消耗，更为重要的是，BlueCore包含一个数字信号处理器基带去取代常规的 ARM处理器。蓝牙的短程连接和协议堆栈意味着这个复杂而消耗功率的处理器无法执行日常的蓝牙任务。此外，协议堆栈的结构使所有数据不用通过微处理器。芯片内存集线器存储包括信息包在内的数据，而微处理器确定数据包的类型和结构。数据包通过DSP传输。这种方法限制了单个组件的参与，因此降低了数据传输和处理过程的功率耗损量。

EDR蓝牙

EDR蓝牙的增强型数据传输速率也有助于降低蓝牙功耗，EDR芯片被越来越多的消费产品所采用。数据传输速率最大增加三倍，这意味着数据包的传输速度快三倍，而无线单元最多在三分之一的时间内是激活的，另外设备可以利用数据包之间增加的空间进入低功耗模式，如浅度睡眠或深度睡眠。EDR蓝牙的效果目前还是有限的，因为EDR产品必须采用标准数据传输速率与不具备EDR的v1.1或v1.2设备进行通讯。

目前所有干扰和功耗问题都已克服了吗？

蓝牙技术自推出以来，在干扰和功耗方面取得了令人难以置信的进展。我们的设计工程师们努力将BlueCore打造成最强大的、功率最高的蓝牙技术产品，并不断研发芯片结构、低功耗模式和软件应用的新方法，以提供最好的干扰和功耗解决方案。包括自适应跳频(AFH)、分时多路复用(TDM)、电源控制以及信道质量确定数据速率(CQDDR)在内的共存系统，使蓝牙链路更为强大，并作为其它流行标准(如802.11b/g Wi-Fi)的补充技术，改善了蓝牙用户的体验。